1922年6月，在德國哥廷根“玻爾節”上，量子理論創始人玻爾作了7次著名演講，簡明地闡述了原子結構理論。在聽眾中，有一位專程從慕尼黑趕來的二年級大學生，他就是沃納·海森堡。在演講後的問題討論中，海森堡對玻爾的一些觀點提出了異議。這位大學生的發言，引起了玻爾的注意。當討論結束時，玻爾邀請他一道出去散步，並仔細地交談了量子理論的有關問題。他們在哥廷根郊外談論了好幾個小時，仍各持己見。盡管如此，玻爾誠懇待人的作風深深地打動了海森堡的心。而海森堡的聰明才智也給玻爾留下了深刻的印象，他向海森堡發出了去哥本哈根作學術訪問的邀請。海森堡後來回憶說，這是他所能記起的“關於近代原子理論的物理問題和哲學問題的第一次全麵徹底的討論，而且它對我後來的事業肯定起了決定性的作用”。
海森堡一生在理論物理學上作出了重要成就，而他最大的貢獻無疑是創建矩陣力學。在這之前，他在關於流體力學、反常塞曼效應、分子模型以及色散理論等方麵做了大量研究工作。這些工作為他創立矩陣力學作了準備。尤其是與玻恩的合作，使他感受到建立新量子理論的迫切性。
玻恩原來是研究晶體點陣動力學的，1921年到哥廷根大學任理論物理學教授後開始原子理論的研究工作。他讓他的學生學點量子物理並想同索末菲展開競爭。哥廷根的著名數學家希爾伯特主張數學家和物理學家結合起來研究物理學，他和玻恩聯合組織了“物質結構”討論班。此外，在玻恩周圍還有各種討論班，如“初學者討論班”、“晚上討論班”、“原子力學Ⅰ編寫組”等，學術氣氛非常濃。為了繁榮科學，玻恩還常邀請各國著名學者來訪講學。這大大開擴了學生們的眼界。玻恩對學生親切不拘小節。在課餘，他常和學生一起散步、野餐、演奏樂曲。玻恩在他主持的討論班上鼓勵提問和批評。因此，在玻恩周圍常聚集著一大批有才能的學生，海森堡就是其中一個。
如果說海森堡在索末菲那裏受到關於玻爾理論的嚴格訓練，那麼他在玻恩那裏更多的是學到對玻爾理論的懷疑。當玻恩學派對玻爾理論的正確性表示懷疑時，索末菲學派還相信隻要附加上普朗克、玻爾和索末菲提出的量子條件，牛頓力學還可以解決原子領域的問題。海森堡認為玻恩比波爾更加堅信要有一套完整的數學上統一的量子理論，而不是在牛頓力學、量子條件和光量子假設之間的徘徊與調和。
1922年，玻恩和他當時的助手泡利一起深入討論了把微擾論應用於原子理論的問題，發展了微擾論能量表示的一般方法。1923年，玻恩和海森堡合作把微擾論用於氦原子，雖然理論結果在定性方麵與實驗一致，但定量方麵差距很大。這使他們堅信，物理學的基礎必須進行根本的變革。
1924年，在哥廷根討論班上玻恩曾強調，把量子論的困難單單歸諸輻射與力學體係之間的相互作用是不正確的。他認為力學必須加以改造，必須用某種量子力學來代替才能提供理解原子現象的基礎。玻恩甚至在1924年的一篇論文中首次把期待中的新理論稱作“量子力學”。這時玻恩對他自己所期望的新理論已有了一些模糊的領悟。而海森堡則找到了描述這種理論的數學方法。
海森堡在哥廷根雖然隻是一個有獎學金的研究人員，但實際是玻思的助教。他與玻恩密切合作，力圖從符號意義上的力學模型出發，建立一種新的力學。一年後他以一篇題為《關於量子論的形式規律在反常塞曼效應問題上的更改》的論文取得大學授課資格，成為無薪講師。同年9月，海森堡作為領取“洛克菲勒獎學金”的研究人員來到丹麥的哥本哈根，而他的矩陣力學之類的創造性工作，事實上也是在哥本哈根生根發芽的。
海森堡在哥本哈根主要與荷蘭物理學家克拉姆斯一起工作。克拉姆斯從1916年起擔任玻爾的助手，在發展量子理論方麵幫助玻爾做了不少工作。他多才多藝，不僅會5種外語，而且還會拉大提琴，在工作之餘常在海森堡的鋼琴伴奏下演奏。而他在學習上又對學生要求得極為嚴格。1924年初，主要根據當時到哥本哈根來工作的美國物理學家斯萊特提出的思想，玻爾、克拉姆斯和斯萊特一起發表了一種對後來影響較大的理論，亦稱BKS理論。這個理論的中心思想是：給每個原子引進一組能產生虛擬輻射場的虛振子，而每一個這種虛振於具有一個躍遷頻率(即原子的躍遷頻率)。這就把不連續的原子過程與連續的輻射場聯係起來了，從而可以利用對應原理，采取類似於經典理論的方法來處理量子論的色散問題。克拉姆斯利用這種思想導出了他的色散公式。